寧夏地區空氣源熱泵熱水器性能測試及分析

董 娟 余 杰

（1.銀川能源學院電力學院，寧夏 銀川 750105；2.中建安裝集團有限公司華西分公司，陜西 西安 710000）

隨著我國城鎮化水平的不斷提高，生活熱水的需求量越來越大，生活熱水能耗大幅度增長，這給城鎮建筑節能帶來巨大的壓力[1]。由于空氣源熱泵熱水器具有高效、節能、環保等優點，在全國范圍內空氣源熱泵的推廣得到政府政策的大力支持[2]。因此，開展寧夏地區空氣源熱泵熱水器的性能測試，分析其影響因素，提高系統總體性能的研究就顯得尤為重要了。

1 空氣源熱泵熱水器的工作原理

熱泵熱水器以供應居民洗澡、廚衛洗涮、洗衣等方面的生活熱水為目的，按熱源種類不同分為空氣熱源、水熱源、土壤熱源、太陽能熱泵熱水器等；按熱源數量來劃分有單熱源和多熱源熱泵熱水器。空氣源熱水器是目前技術比較成熟，應用廣泛的熱泵技術，主要利用電能驅動制冷劑進行熱力循環，發生相變換熱從空氣中吸收熱量來加熱水[3]。由于空氣資源豐富，有空氣的地方就有熱量，加上空氣流動性好，使用便捷、節能環保，所以空氣源熱泵使用很廣泛。圖1是熱泵的能量轉換過程，圖2是空氣源熱水器的系統循環過程。

根據圖1和圖2，結合熱力學第一定律可以看出來，從環境吸收熱量Qk，消耗電能W和熱水吸收熱量Qd具有以下關系,如公式（1）所示。

圖1 熱泵的能量轉換

圖2 系統循環示意圖

空氣源熱泵熱水器的性能系數COP指的是制熱量與輸入功率的比值[4]，即

從式（2）可以看出，性能系數COP的值總是大于1，因此熱泵熱水器可以實現節能效果。

2 性能測試

2.1 測試方案

根據GB/T23137-2008對某寧夏地區5000W額定制熱量，水箱容積200L的空氣源熱泵熱水器進行能效測試，將水箱里面的水從15℃加熱到60℃。熱泵熱水器性能測試階段的溫度變化如圖3所示，圖中所示A階段屬于加熱溫度逐漸上升的階段，水箱里面15℃的水處于一直加熱狀態直到機器停止，通常情況下這時的溫度都會在55℃以上，同時記錄下這個階段所需要的時間和電量；B階段重點對機器不工作時所消耗的電量進行測量；C階段測試用水性能，D階段測試的是熱水量的最大使用情況，E階段測試溫度范圍，F階段測試安全性能。筆者考察重點就在C階段，主要對熱水器性能進行測試，選擇的測試方法是以普通家庭每天使用熱水的情況（其中包括了放水量、時間、溫度以及速度等）為基本參數，通過對這些條件的判斷來選擇用戶習慣的放水模式，以此來得出耗電量以及制熱量的具體數據，然后根據它們的比例來確定性能系數[5]。

圖3 熱泵熱水器性能測試階段圖

歐盟標準對機組性能的要求比較高，但是如果測試的時間比較長的話，就需要將水流量的精度提高，這樣整體下來成本也比較高。相比于歐盟標準，根據我國的有關標準NB/T34027-2015來測試空氣源熱泵熱水器，需要針對水的使用情況來決定，并根據熱水目前的使用情況對測試方法去簡化處理，選擇合適的水流量。水箱里的水加熱到55℃時可以進行放水，當溫度調整到45℃時不再放水，等機組把水溫加熱到55℃時再執行放水動作，在這周期內記錄好所需要的耗電量以及制熱量，再判斷系統的能效系數，通過該測試來對機組性能進行評價[6]。

2.2 測試工況分析

2.2.1 熱泵制熱過程性能測試

剛開始進行加熱時，熱泵熱水器的性能指標如表1所示。當設定的環境溫度處于20℃~30℃時，水箱里的溫度維持在14℃左右，這表明了水箱在非寒冷季節的情況下所需要的給水條件以及運行工況；當設定的環境溫度達到9℃，2℃，-5℃的時候，水箱的進水溫度需要保持7℃，這表明了寒冷季節環境下水箱的給水條件以及運行工況。根據水箱的相應容積，將水溫增加至設定溫度（55℃），熱量由熱泵機組所提供，此時測試2個季節環境下的制熱量。由于環境以及水箱溫度的不同，熱泵機組的耗電量以及制熱能力有不一樣的體現形式，環境溫度在下降的同時需要的加熱時間在增加，而制熱能力則是在逐漸下降，能效系數也處于不斷降低的狀態。

表1 加熱測試工況下熱泵熱水器測試指標

2.2.2 熱泵運行能耗測試

加熱初期空氣源熱泵熱水器隨水箱溫度增加，耗電功率如圖4所示。通過圖4可以看到系統耗電功率隨著水箱溫度的上升而上升。

圖4 不同環境溫度下耗電功率隨水箱溫度變化圖

能效系數COP指的是水箱溫度變化1℃所產生的制熱量與耗電量之間的比值。加熱初期系統能效系數隨著水箱溫度變化如圖5所示。通過圖5可知，當環境溫度較高時，系統COP較高，特別是環境溫度在20℃以上且水溫保持45℃時COP維持在3以上；當溫度低至2℃或者更低時，熱泵熱水機組會開啟除霜功能，能效系數基本不會有太大的變化，水溫40℃時COP也會停留在2左右。簡單來說，這種類型的熱水器如果處于非寒冷季節時是有較強的運行性能，但是當處于寒冷季節時，它的運行性能就會有所下降。

圖5 不同環境溫度下機組能效系數隨水箱溫度變化圖

3 空氣源熱泵熱水器性能分析

3.1 環境溫度對空氣源熱泵熱水器的影響

如圖6、圖7所示，環境溫度直接影響空氣源熱泵熱水器的性能。在熱泵耗電量和運行時間方面，隨著環境溫度的升高，兩者處于下降的趨勢；相反，隨著環境溫度的下降，熱泵COP、熱泵產熱水量呈現出一定的上升趨勢。產生這種現象的主要原因是環境溫度升高，蒸發器需要從周圍空氣中吸收更多的熱量來滿足對流的需要，這樣在水箱容積不變情況下，熱泵系統在耗電及運行時間方面，會隨著蒸發溫度的升高出現相應減少的趨勢，而系統產熱水量和COP則會呈現出增大的現象。

圖6 環境溫度對系統耗電量和運行時間的影響

圖7 環境溫度對系統產熱水量和COP的影響

3.2 水箱容積對熱水器的影響

該實驗在18℃水箱初始溫度，20℃環境溫度條件下對熱泵熱水器的性能進行分析。在進行實驗時，應保持其他參數不發生變化，把水箱溫度從18℃加熱到55℃時，水箱有較好的保溫效果，漏熱系數也趨向穩定。當把水箱的容積從80L增加至200L時，水箱的熱量升高，運行時間增加，如圖8所示。顯然，水箱容積與熱泵加熱時間存在緊密的關聯，一旦水箱容積出現變化，將影響熱泵加熱時間的變化，例如水箱容積從80L逐步增加 200L時，系統加熱時間則從70min延長到138min。因此，在供熱水時間不變的條件下，需要合理選取水箱容積。

圖8 水箱容積對系統運行時間和水箱得熱量的影響

圖9、圖10體現了水箱容積與熱泵耗電量、產熱水量、系統COP三者間的關系。從圖可以看出，水箱容積增加，熱泵耗電量增加了約106%，產熱水量增加了26%，系統COP增加了22%。

圖9 水箱容積對系統耗電量和COP的影響

圖10 水箱容積對系統產水量和COP的影響

3.3 進水初溫對熱泵熱水器的影響分析

通過實驗進一步分析空氣源熱泵熱水器在進水初溫的影響下呈現出的變化情況。在實驗中應保持系統其余參數不變，并將水箱容積設定為200L，環境溫度設定為20℃。由圖11可知，熱泵運行時間隨著水箱進水溫度的增加呈現出下降的趨勢，而熱泵產熱水量則出現上升的趨勢，初始進水溫度從15℃增加到 35℃，熱泵耗時從 145min減少到 90min。

圖11 水箱初溫對系統運行時間和產熱水量的影響

4 結論

該文對寧夏地區空氣源熱泵熱水器進行性能測試，發現環境溫度影響著空氣源熱泵熱水器的性能系數。氣溫較高時，空氣源熱泵熱水器制熱效果、耗電功率和能效都比氣溫低時好。影響空氣源熱泵熱水器性能的因素除環境溫度外，還有水箱容積、進水初溫等。此外，受到氣溫和氣候影響，單一熱源的熱水設備不能全天運行，所以單純靠空氣源的熱泵系統無法滿足人們的需求。但是，若能夠將太陽能熱泵技術和空氣源熱泵技術進行有機結合，就會有很多優勢，這樣可以在集熱效率高、供熱性能好、形式多樣、一機多用、應用廣泛的同時，又節約了能源、降低了能耗，能夠更好地解決太陽能與建筑一體化和24h連續熱水供應的實際問題，經濟價值和社會現實意義巨大。